（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的异步电动机直接转矩控制系统研究.pdf

a b s tr a c t a sar e c e n t l yd e v e l o p e dh i g h - p e r f o r m a n c es p e e dc o n t r o lt e c h n o l o g y f o r a s y n c h r o n o u sm o t o r ，d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) c a l lp r o v i d eg o o dd y n a m i c p e r f o r m a n c eb yc o n t r o l l i n gt h eo u t p u tt o r q u ed i r e c t l y t h ew o r k i n gp r o c e s so f t h e v o l t a g e t y p ei n v e r t e ri su t i l i z e db yd t c t oc o n t r o lt h er o t a t i o na n dh a l to ft h e s t a t o rf l u x ，t h e nt h ea n g l eb e t w e e nt h es t a t o rf l u xa n dt h er o t a t o rf l u xi s a l s o r e g u l a t e d f i r s to fa 1 1 t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n df u r t h e rd e v e l o p m e n tt r e n d so fd t c a r e d e s c r i b e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l eo fd t c i si l l u s t r a t e d ，t h ec o m m o n c i r c u l a rf l u xt r a c kc o n t r o lt e c h n i q u e s a r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h em a j o rm o d u l e so fd t cs y s t e ma r ed e p i c t e di nd e t a i l e d t h e d y n a m i cm a t h e m a t i c sm o d e la n dt h ee q u a t i o no ft o r q u ea n df l u xo fa s y n c h r o n o u s m o t o ra r ea n a l y z e d ，a n dt h e na n a l y z e dt h ep r o b l e mo fd i r e c tt o r q u e c o n t r o l a s y n c h r o n o u s m o t o ri nt h e l o w s p e e do p e r a t i o n t h e r e a r el a r g es p e e d f l u c t u a t i o n sa n db i gt o r q u er i p p l e s a n dt h e nt w ok i n d so fd u t yc y c l ec o n t r o lo f t h e i n d u c t i o nm o t o rd i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o da r ea l s oi n t r o d u c e d t h ea p p r o a c ho f t h ed u t y 。c y c l ec a l c u l a t i o ni sd e d u c e df r o me l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ef o r m u l aa n d v o l t a g e v e c t o r s y n t h e s i st h e o r y ，c a l c u l a t i o n a m o u n to fl o w e rt o r q u er i p p l ei s r e d u c e d w i t h o u ta f f e c t i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ei na 1 1a s p e c t s ，w h i c hi ss of a c i l i t a t e t oc a l c u l a t ea n du s e t h i sm e t h o dh a ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha st h es t r u c t u r eo f t h es y s t e mi ss i m p l e ，t h es m a l la m o u n to fd u t yc y c l ec a l c u l a t i o na n ds oo n t h e c o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s sa r ev e r i f i e db yt h er e s u l t s t h es y s t e mp e r f o r m a n c e i si m p r o v e df u r t h e rb yu s i n gt h es i n g l en e u r o n sc o n t r o l l e ri nt h ef i r s ta p p r o a c h t h es v p w m - d t ci ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o d c a l l e f f e c t i v e l yr e d u c e t h et o r q u et i p p l e sa n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d t m s 3 2 0 f 2 812d s pi st h ec p uo ft h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e p l a t f o r m f o r e x p e r i m e n t s 。t h e e m b e d d e ds o f t w a r ei sa l s oc o d e df o r t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ea l g o r i t h m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 | 1 1 ii | k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；v o l t a g ev e c t o r ；d s p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：彳谗 日期：砂j i 年飞月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曰在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：诤潞 日期： 渺7 年 月3 日 导师( 签字) 峭 砷年3 月弓日 哈尔滨：= = 程大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 在当今社会中，电动机作为主要的动力设备在工农业生产及社会生活等 各个方面有着极为广泛的应用【l l 。电动机分为直流电动机和交流电动机两大 类，其中交流电动机应用的最为广泛，因为在工业生产中所提供的电能形式 大多为交流。交流电动机诞生至今已经走过了一百多年的历程，国内外专家 学者们已经研究制造出了多种用途，不同容量，多种品种和型号的交流电动 机。 电动机与其控制装置相结合便组成了电力传动控制系统。其中的电动机 如果是直流电动机则构成了直流调速系统，如果是交流电动机则构成了交流 调速控制系统。直流电动机的调速方法比较简单，采用电流、转速双闭环的 直流调速系统可以获得优良的动、静态性能。因此，在2 0 世纪8 0 年代以前， 在电力传动领域一直是直流调速系统占据主导地位。但是直流电动机由于其 本身的结构上有机械式换向器和电刷，这两者在运行中，尤其是一些极端工 况下极容易损坏，并且时常需要对其进行检查和维修，使直流电动机难以在 更多的场合被使用。 交流电动机因为其自身不存在直流电动机所存在的缺点，因而越来越多 地采用交流电动机作为电力传动设备来代替直流电动机。交流电动机特别是 异步电动机具有结构简单、制造容易、运行可靠、效率较高、成本较低、维 护方便、坚固耐用，使用环境及结构发展不受限制等优点。但是交流电动机 也存在着明显的缺点，限制了它的广泛使用。例如，即使采用了先进的电力 电子技术，它仍然不能在较大的范围内获得较好的调速性能；控制方法简单， 因而调速性能差，效率低，能耗高等。2 0 世纪7 0 年代能源危机的爆发，使 得各国对能源使用效率的要求越来越高。尤其是在工业生产中如何节省电能 更是重中之重，这就促使各国更加重视交流调速技术的研究与开发。此外， 现代控制理论的发展和电力电子技术的兴起更是为提高交流调速性能提供了 丰富的物质基础【2 】【引。直接转矩控制理论便是在这样的背景下诞生的。 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 1 2 直接转矩控制技术的提出及国内外发展现状 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了 交流调速在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。矢量控制技术模仿直 流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动 机的转速和磁链控制的完全解耦。它的提出具有划时代的重要意义。然而， 在实际中由于转子磁链难于准确观测，系统特性受电动机参数影响较大，以 及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控 制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克教授首次提出了直接转矩控制的 理论。接着在1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接 转矩控制有着自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算复杂、特 性易受电动机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大 问题。与矢量控制系统相比，直接转矩控制具有如下优点： 1 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制 电动机的磁链和转矩，计算过程简单。 2 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，通过定子电阻即可观测。 而矢量控制磁场定向所用的转子磁链的观测需要知道电动机的转子电感和电 阻。因此直接转矩控制减少了矢量控制中控制性能易受参数变化影响的问题。 3 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析异步电动机的数学模型和 控制各物理量，使问题变得简单明了。 4 直接转矩控制是直接将转矩作为被控量，直接对其进行控制，而不是 像矢量控制那样通过控制电流、磁链等量来问接控制转矩。直接转矩控制技 术一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静，动 态性能受到了普遍的注意和得到迅速的发展。直接转矩控制方案经过近二十 年的发展，各方面性能都在不断提高，并已进入实用阶段。 自直接转矩控制技术提出近二十年来，各国科研工作者和工程技术人员 从不同的角度对其进行了不同程度地改进。特别是近几年，模糊控制理论和 人工神经网络在直接转矩控制方面的应用，使其控制性能有了更进一步的改 2 哈尔滨：l i 程大学硕士学位论文 善。总结目前现状，直接转矩控制技术的发展主要有以下几个方面： 1 现代控制理论应用 现代控制理论中各种控制方案的应用使得系统的动态性能和鲁棒性得以 提高，随着功能强大的数字处理芯片d s p 的推出，许多以前无法实时实现 的算法都可以应用到实时控制系统中。例如，最近研究十分活跃的非线性控 制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制等。这些控制策略运用到 直接转矩控制理论中将使得原先由于自身无法克服的诸如转矩脉动大等弊端 逐渐被先进的控制技术所弥补。 2 全数字化控制 直接转矩控制对数据处理的实时性、快速性要求很高，在结构上特别适 合于全数字化。d s p 正是能满足这种需求的芯片。它具有高速信号处理和 数字控制功能。同时，便于故障监视、诊断和保护，既确保了系统的高速响 应性，又增强了系统可靠性。t i 公司设计的2 0 0 0 系列d s p 有着强大的性能， 可以实现感应电动机直接转矩控制的全数字化。这对于缩小系统体积，增加 系统可靠性，改善感应电动机的运行特性都有非常积极的意义。 3 无速度传感器控制系统 无速度传感器用于矢量控制和直接转矩控制已有成型产品。但普遍存在 着调速范围较小的问题，有待于进一步改善，该领域今后研究的方向仍是提 高转速估计的精度及动态响应，增强系统对参数变化的鲁棒性以及获得更宽 的调速范围。 1 3 课题的背景及选题的意义 直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点， 但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的b a n g b a n g 控制基础之上的控 制方法，不可避免地造成了低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动 大等问题，限制了直接转矩控制在低速区的应用。针对于此，国内外有很多 学者提出了各种提高开关频率、固定开关频率以及减小转矩脉动的方法，主 要有如下理论【4 】： 1 无差拍( d e a d b e a t ) 空间矢量调制方法 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 把无差拍方法应用于直接转矩控制首先是由美国人t g h a b e t l e r 提出来 的。利用h a b e t l e r 的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩误差为零， 从而消除转矩脉动，可以弥补传统直接转矩控制的b a n g b a n g 控制的不足， 使电机可以运行于极低速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压矢量可 以使开关频率相对于单一矢量大幅提高并且使之固定，这对于减少电压谐波 和电机噪声是很有帮助的。 2 转矩或磁链的预测控制方法 在t g h a b e t l e r 的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不 易实现，因此出现了一系列的简化的无差拍直接转矩控制，比较典型的是转 矩跟踪预测方法。在一个采样周期中可以分为非零电压矢量和零电压矢量。 如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的转矩变化等 于本周期计算出来的转矩误差，将消除转矩误差，达到转矩无差拍控制的目 的。即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压 矢量来代替，因此是非常易于实现的。 3 离散空间矢量调制 无差拍的直接转矩控制从理论上可以最大化地消除转矩和磁链的误差， 克服了b a n g b a n g 控制不精确性的弱点，但是需要比较大的计算量，并且这 些计算都是与电机参数有关，容易引起计算上的误差。因此在一些文献中提 出了既不需要多少计算，又能提高转矩和磁链控制精度的离散空间矢量调制 方法。在离散空间矢量调制方法中，通过对两电平逆变器输出的六个基本电 压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成，利用这种有规律 的合成方法一共可以合成出1 0 个电压矢量。在不同的转速范围采用不同的电 压矢量，这些细化的电压矢量可以有效的降低转矩脉动【5 j 1 6 1 。 4 由p i 调节器输出空间电压矢量的方法 在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减 小低速下的转矩脉动，达到矢量控制在低速下的稳态性能。前面提到的无差 拍控制就能得到任意相位的空间电压矢量，但是计算比较复杂，实现比较困 难。另一种获得任意相位的空间电压矢量的方法是使用p i 调节器。 a b p l u n k e t t 的直接转矩和磁链调节方法就是一种p i 调节方法，只是那 时候还没有空间电压矢量这个概念，只能使用s p w m 方法输出电机控制电 4 哈尔滨t 群人学硕十导：位论文 压。在文献 7 】中所提出的直接转矩控制使用p i 调节的方法，并且用s v p w m 的方法输出空间电压矢量，由转矩给定和转矩反馈获得转矩误差，输入到p i 调节器中，经过p i 调节得到q 轴电压矢量，由定子磁链给定和定子磁链反馈 获得定子磁链误差，输入到p i 调节器中，经过p i 调节得到d 轴电压矢量， 之后将d 轴和q 轴的电压矢量由旋转坐标系变换到静止坐标系下的0 【轴和d 上，用于空间电压矢量的输出，显然这个空间电压矢量在空间位置上的相位 是任意的。这种方法从实现上是比较简单的，同时鲁棒性也比较好，并且相 对于传统的直接转矩控制可以提高开关频率，减小低速下的转矩脉动，但是 在这种方法当中需要选取合适的p i 参数，否则会影响控制系统的动、静态性 能。 1 4 论文的研究内容 本课题的主要研究内容： 1 从理论上分析了直接转矩控制的原理及特点，给出了论文中直接转矩 控制系统设计方案的理论依据； 2 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建了圆形定子磁链的直接转矩控制系统 并进行仿真。在仿真实验中分析了通过改变磁链和转矩的滞环宽度以及改变 磁链和转矩给定值等重要参数对系统性能的影响； 3 针对传统的直接转矩控制策略存在的不足，尤其是转矩脉动较大的问 题，采用了基于占空比控制和基于离散占空比控制以及空间矢量调制的三种 方法，并分别对这三种方法进行仿真实验，实验结果验证了所采用的方法可 以很好的降低电动机在低速运行时的转矩脉动。由于第一种方法中使用了较 多的电机参数，为了增强系统在参数变化时的稳定性和抗干扰性，加入了单 神经元控制器，仿真结果显示，系统的动静态性能均得到了提高； 4 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最小系统，设计了异步电动机直接转矩控制系统 的硬件电路，其中包括：电流检测电路；电压检测电路；转速检测电路；功 率驱动电路。对相关电路进行了调试，以确定其是否能按照设计初衷正常工 作； 5 利用c 语言，采用模块化的编程思想，根据系统的控制方案设计了基 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的软件控制系统，并详细介绍了本控制系统中主要用到 的软件模块，如p w m 生成模块( p w m g e n ) 、a d 采样模块( i l e g 2d c b u s ) 、 相电压计算模块( v o l tc a l c ) 、速度检测模块( q e p ) 、c l a r k 变换模 块( c l a r k ) 、磁链和转矩计算模块( f l u x a n d t o r q u e ) 、p i d 控制模 块( p i dr e g 3 ) 、正交编码脉冲电路( q e p ) 模块、速度估算模块( s p e e df r ) 等： 6 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 第2 章直接转矩控制的基本原理 2 1 异步电动机的数学模型 2 1 1 三相静止坐标系下异步电动机的方程 三相异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 它的数学模型比直流电动机复杂得多，因此其控制过程也较为复杂。为了简 化异步电动机的分析过程，可以忽略一些影响较小的参数，作出如下假设【8 】： 1 忽略空间谐波，设三相绕组完全对称，在空间相差1 2 0 0 电角度，所 产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布： 2 磁饱和、涡流及铁芯损耗忽略不计； 3 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响，电机定转子三相绕组 完全对称； b 图2 1 三相异步电动机物理模型 7 哈尔滨j 广程大学硕+ 学位论文 2 1 1 1 三相静止坐标系下的电压方程 定子电压方程为： u a u b u c 折算到定子侧的转子电压方程为： 式中： u 4 、“日、定子三相电压，v u 口、甜。转子三相电压，v 、名、如定子三相电流，a 乞、i b 、转子三相电流，a r 。、耳定子与转子电阻，q 将以上各式写成矩阵形式，并用尸代替积分算子可得： 咫0 0 0 00 0 b0 0 0 0 0 0 r0 0 0 000 r r 0 0 0 0 0 0 b0 o oo 0or 8 + p 9 8 虬 y c ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 彳一 口一 c 一 妣百监以盟衍 + + + 晟 晟 足 0 咯 七 、l，j 盟出妣百盟班 + + + 群 b 膨 乞 0 = = = 甜 “ 甜 0b七乞0 蛳咖幻如如如 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 2 1 1 2 三相静止坐标系下的磁链方程 沙彳 y 口 v c 虬 毕c 三彳c 三一口三一6 三彳ci l 三占c 占6 三占c | | k c 乞玩怯 乞ck kk ”1 a 厶ck 厶a 厶c | i l b l 口cl c nl c bl c c 虱_ l c ( 2 - 4 ) 式中：l a 一= l s s = z c c = 丘定子每相绕组的自感， h z t l a = 厶6 = l c c = t 归算到定子侧的转子每相的自感，h l 爿b = l 爿c = l s a = l 占c = 如= l c b = l $ 8 定子三相绕组 之间的互感，h 乞6 = z a c = 厶口= 厶c = k = z c b = z r r 转子三相绕组之间的 互感，h 当忽略气隙磁场的空间高次谐波，则可近似认为定转子之间的互感为乱 角的余弦函数，当两绕组恰处于同轴时，互感有最大值l ，于是有： l a 口= 乞= l a b = = k = k = 厶，c o s o ， l a b - - = l b c - 如= k = k = 乙c 。s ( 9 + 了2 z ) 。= 乙= 三肋= 乞口= k 。= 厶c = 厶c o s ( o ，一等) ，仃 2 1 1 3 异步电动机的运动方程 通常情况下异步电动机的运动方程为： t 谢去p 掣d t 5 ， ” 式中：瓦负载转矩，n m 乙电动机额定输出转矩，n 。m 8 8 b ， ， ， 励伽励助伽伽助伽助砌砌砌 哈尔滨工程大学硕士学位论文 国电动机的角速度，r a d s p 疗极对数 机电系统转动惯量，k g m 2 2 1 2 两相静止坐标系下异步电动机的方程 直接转矩控制是在定子的静止两相坐标系中分析电机的，即把两个互相 垂直的坐标轴固定在定子上，取口轴的方向与定子a 相绕组轴线一致，如图 2 2 所示。 b c 图2 2 坐标变换 2 。1 2 1 两相静止坐标系下的电压方程 两相静止坐标系下异步电动机的电压方程如下： l , l s c t = r s l 4 s c t 七vs 盛 u 咿2 r s i 咿+ v 。8 1 1 r e t = r r i r 垡七vr 岱一vr 8 1 lr b = r r i r b + v 哺一v r 伍 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 对于鼠笼型异步电动机，“，。= “，疗= 0 。 式中：铭。，h s 疗分别为口一坐标系下的口、轴定子电压分量，v u ，。，“，日分别为a 一坐标系下的a 、轴转子电压分量，v 瓦。，z 。疗分别为口一夕坐标系下的口、夕轴定子电流分量，a f ，。，f ，疗分别为a 一坐标系下的口、轴转子电流分量，a ，虬口分别为a 一坐标系下的口、轴定子磁链分量，w b 1 0 哈尔滨：i ：榉人字倾十字位论文 y ，口，虬口分别为a 一坐标系下的口、轴转子磁链分量，w b 2 1 2 2 两相静止坐标系下的磁链方程 两相静止坐标系下电机的磁链方程如下： y 跛= t i s a + 厶。i r o ( 2 1 0 ) v 曜= l s i s b + l m i r 8 ( 1 1 ) 沙m = l r i r a + 乙幺 ( 2 1 2 ) 印= 三，锄+ 厶，钿 ( 2 1 3 ) 式中：t ，l r ，匕分别为电机的定子电感，转子电感和互感，h 2 1 2 3 两相静止坐标系下电磁转矩方程为： 电动机的电磁转矩为： t = k ，( 缈。乜如一沙妒) ( 2 一1 4 ) 式中： k 卅转矩系数。 ( 2 - 1 4 ) 式还可以写成如下形式： z 2 詈仇惫i 虮l | ”卜加臼 ( 2 1 5 式中： i 帆i 定子磁链矢量幅值，w b l 悱l 转子磁链矢量幅值，w b 秒磁通角 仃漏感系数。 0 图2 3 电动状态下定转子磁链间关系 稳态转矩的计算是根据式( 2 - 1 5 ) ，通过对定转子磁链与磁通角臼的计 算来完成。转矩变化的大小通过改变定子磁链运动轨迹的平均速度从而改变 磁通角秒来实现控制( 如图2 3 所示) 。 哈尔滨一i ，：科火学硕十学位论文 2 1 3 坐标变换 在异步电动机的控制中，不管是直接转矩控制还是矢量控制，都需要用 到矢量的坐标变换，它是实现对电机进行控制的关键。但是在变换的前后需 要遵守以下的原则： 首先，在确定电流变换矩阵时，应遵守变换前后所产生的旋转磁场等效 原则。电机的气隙磁场是机电能量转换的枢纽。气隙磁场是由电机气隙合成 磁势决定的，而合成磁势是由各绕组中的电流产生的，所以只有遵守变换前 后气隙中旋转磁场相同，电流变换方程才能成立。其次要遵守变换前后电机 功率不变的原则。只要遵守了功率不变原则就能从电流变换矩阵推出电压变 换矩阵和阻抗变换矩阵。 2 1 3 1c l a r k 变换 c l a r k 变换的作用是将三相静止坐标系变换为两相静止坐标系。三相 电动机绕组a 、b 、c 的磁势矢量和两相电动机绕组口、的磁势矢量位置关 系如图2 2 所示。 设三相系统每相绕组匝数为从，两相系统每相绕组匝数为。根据矢 量坐标变换的原则，两者的磁场应完全等效，也就是说合成磁势矢量分别在 两个坐标系坐标轴上的投影应该相等。故 2 如2 3 + n 3 i s c o s l 2 0 0 + n 3 i c c 。s ( _ 1 2 0 。) l ( 2 - 1 6 ) 2 锄= d + 3 i 占s i n l 2 0 。- i - 3 f ( ? s i n ( - 1 2 0 。)j 整理后得： 将上式表示成矩阵形式，为： 矩芒1防忉 珞一刮 他1 一 一；一 卜压丁 丝m 丝m = i | 。k 锄 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 由于变换矩阵 1 l一 2 o 笪 2 二主二二妻 差 c 2 1 8 ， 不是方阵，不能求逆矩阵。为了求逆矩 阵需要定义一个独立于、乙的新变量，称之为零序电流，记为i o ，并且 f 0 = 瓮舭( i a m ) 则式( 2 1 8 ) 变为： z s 口 z s , b z 0 n 、 一 j n 、 r 一丝 。3 2 一 1一!一三 22 o鱼一鱼 22 kkk l一三一三 22 o鱼一笪 22 kkk l 名i ( 2 1 9 ) 七- j ( 2 - 2 0 ) 这里c 3 2 是定子电流从三相变换到两相的变换矩阵，对式( 2 2 0 ) 分别 求逆阵和转置，并且根据电流变换矩阵的原则，要求c = c7 ，可以得到： 瓮= 止2 ，k = 击 锄， 1v。压 ”一。 。 o 。2打一2 _ 丝m = 1 j t 。l 哈尔滨t 程人学硕+ 学位论文 于是电流变换矩阵方程式为： z 撇 l s 8 砀 = 信 1一!一三 22 o笪一鱼 22 1l1 压压压 z 彳 z 且 七 ( 2 - 2 2 ) 对于三相绕组不带零线的星型接法，有i c = 一i a 一，代入式( 2 2 2 ) 中可得： 阱 压 压 2 2 。2 直接转矩控制的基本原理 2 2 1 逆变器的开关状态和空间电压矢量 e j r 中性点 e j r c ( 2 - 2 3 ) 图2 4 三相电压型逆变器主电路模型 电压源型逆变器主电路模型如图2 4 所示，由三组、六个开关组成。用 邑、蜀、品、品来表示，s 爿与颤为同桥臂，与品为同一桥 1 4 j 0 b l 1j o 压 哈尔滨一r n 人学硕十学位论文 臂，与品为同一桥臂。它们之间互为反向，即当一个接通时，另一个关断。 当逆变器上臂开关接通时s , 4 ( 或& ) = 1 。下臂开关接通时最( 品或品) - - - - - 0 ，这样三组开关会有2 3 = 8 种开关组合【9 1 。如表2 1 所列出的。 表2 1 逆变器开关状态 状态工作状态零状态 l23456o7 开 s a 0o111oo1 关 s b 1o0o1l01 组 s c 11 l 00o0 i 当逆变器处于1 6 状态时，逆变器将输出相应的工作电压，而当其处于 0 和7 两种状态时，输出电压为0 ，因此这里把逆变器的1 - - 6 状态称为工作 状态，而把0 和7 两种状态统称为零状态。本论文中用“s k ”表示逆变器的各 种状态，这里k = o 、l 、2 、3 、4 、5 、6 、7 ，如工作状态1 可写成s o 以此 类推。相应的输出电压状态记为l , i f 删l 。表2 2 说明了逆变器的各种状态和输 出电压状态之间的关系。 表2 2 逆变器的开关状态和相应的输出电压状态 工作状态零状态 状态 l2345607 丌关 s 0 1is o o is 1 0 1s l o os l1 0s o l os o o os i l l 状态 输出电 压状态 甜s 0 1 iz , j 0 0 1i 5 l o i“s 1 0 0扰j 1 1 0蹦s 0 1 0“j 0 0 0彩j 1 1i 为了便于分析，引入p a r k 矢量变换。p a r k 矢量将三个标量( 三维) 变换 为一个矢量( 二维) 。如果三相异步电动机中对称的三相物理量如图2 5 所 示。 选三相定子坐标系中的a 轴与p a r k 矢量复平面的实轴口重合，则其三相 物理量五) ，筑0 ) ，疋( f ) 的p a r k 矢一_ e 1 、t ) 为： 哈尔滨丁程火学硕+ 学位论文 x ( f ) = x o ( f ) + p 也( f ) + p 2 x c ( f ) ( 2 2 4 ) 式中：p 复系数，旋转因子，p = e j 2 , 4 3 。 彳 口 玩( f ) 图2 5 空间矢量分量的定义 旋转空间矢量x ( t ) 的某个时刻在某相轴线a ，b ，c 轴上的投影就是该 时刻该相物理量的瞬时值。就图2 4 所示的电压源型逆变器来说，若其a ， b ，c 三相负载的定子绕组接成星形，其输出电压空间矢量“。( f ) 的p a r k 矢量 表达式应为： ( f ) = 姜h + “口g j 2 z r 3 + u c e j 4 万3 ( 2 2 5 ) j 式中：甜彳，扰君，, c 三相定子绕组的相电压，v 对于表2 2 中的各种电压状态，通过式( 2 - 2 5 ) 便可以计算出相对应的 空间位置。如图2 。6 所示。 1 6 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 u j l 0 0 图2 6 空间电压矢量分布 2 2 2 电压矢量对定子磁链的影响 定予磁链与定子电压之间的关系为： 虬( f ) = i ( 甜。( f ) 一( f ) b ) a t ( 2 2 6 ) 若忽略定子电阻的影响，则： 产 虬( f ) i u s ( t ) d t ( 2 2 7 ) 上式表示定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系。该关 系见图2 7 。 图2 7 中，“。( f ) 表示电压空间矢量， 表示磁链空间矢量，s 1 、s 2 、 s 3 、s 4 、s 5 、s 6 是正六边形的六条边。当磁链空间矢量o ) 在图2 7 所示 位置时( 其顶点在边s 4 上) ，如果逆变器加到定子上的电压空间矢量# a ( f ) 为s 甜m o ( 如图2 7 所示，在口轴方向) ，则根据式( 2 2 7 ) 定子磁链空间矢量 的顶点将沿着s 4 边的轨迹，朝着电压空间矢量甜枷。所作用的方向运动。 当 沿着边s 4 运动到s 4 与s 5 的交点k 时如果给出电压空间矢量 “川o ，则磁链空间矢量o ) 的顶点则会按照与“川。相平行的方向，沿着边 s 5 的轨迹运动。若在s 5 与s 6 的交点时给出电压“删o ，则螈 的顶点将沿 着边s 6 的轨迹运动。同样的方法依次给出甜删l 、“。o o l 、扰圳l ，则 顶点 依次沿着边s l 、s 2 、s 3 的勒迦；运动。至此可以得到以下结论： 哈尔滨r ：程大学硕十学位论文 铭s 1 1 0 8 u j 0 1 0 u j l 0 0 列s 0 1 l 图2 7 电压空间矢量与磁链矢量空间矢量的关系 1 定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹( 以后简称为定子磁链的运 动方向和轨迹，或帆 ) 的运动方向和轨迹) ，对应于相应的电压空间矢量的 作用方向，弘的运动轨迹平行于z ( f ) 指示的方向。只要定子电阻压降s i ( f ) r 。l 比起k ( f ) l 足够小，那么这种平行就能得到很好地近似。 2 在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量 7 , 。o l l u 。o o l 一扰j l o l 一“。1 0 0 u 。ll o 一优。o l o ，则得到定子磁链的运动轨迹依次沿 着边s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 运动，形成了正六边形或圆形轨迹。 直接利用逆变器的六种工作丌关状态，简单地得到六边形或圆形的轨迹 以控制电动机，这种方法是直接转矩控制的基本思想。 2 2 。3 电压空间矢量对转矩的影响 在实际运行中，为充分利用电机铁心，保持定子磁链幅值为额定值，而 转子磁链幅值由负载决定，因此可以通过改变定子磁链与转子磁链之间的夹 角的大小，达到控制电机转矩的目的。 在直接转矩控制技术中，其基本控制方法就是通过电压空间矢量“。( f ) 来 控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走或者停，以改变定子磁链的平均 旋转速度万。的大小，从而改变磁通角秒的大小，以达到控制电动机转矩的目 的。 如图2 8 中所示，从t l 时刻到t 2 时刻此时若给出空间电压矢量“洲，则 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 定子磁链空间矢量从少。( f 1 ) 的位置运动到l f ，。( f 2 ) 的位置，运动轨迹为 a g t 。( f ) 。在此区间转子磁链矢量并不跟随超前于它的定子磁链矢量。因此这 段时间内磁通角o ( t ) 加大，相应的转矩也增大。 当施加超前定子磁链9 0 。的电压矢量时，定子磁链的旋转速度最大，因 此获得的转矩最大。如果施加零矢量或滞后矢量，相当于定子磁链停滞不前 或反转，而转子磁链继续旋转，磁链夹角减小，相应的转矩就减小。 虬( f 1 ) y ，( t 2 ) 图2 8 电压空间矢量对转矩的影响 2 。3 直接转矩控制系统结构 2 3 1 直接转矩控制系统的基本结构 直接转矩控制系统的基本组成如图2 9 所示，包括整流器、逆变器、电 流和电压矢量变换器、转矩磁链角和磁链计算器、转速调节器、转矩和磁链 调节器以及p w m 控制器等几个部分。其基本原理如下【9 1 ：将三相交流电经 整流器整流，再经滤波电路滤波得到较平稳的直流电。功率部分反馈两相定 子电流、直流母线电压及转速传感器测得的转子转速信号给控制部分，控制 部分利用这些信息用软件实现直接转矩控制算法，将最终计算得到的控制信 号( 一般为6 路p w m 方波信号) 输出给逆变器，控制逆变器产生电机工 作所需的三相电流、电压。图2 9 中各模块内部结构及功能在接下来的几节 里将一一作以详细解释。 ， 1 9 哈尔滨q - ；n 大学硕士学位论文 图2 9 异步电动机直接转矩控制系统结构图 2 ，3 2 电压电流矢量变换 该模块的作用是将检测到的三相定子电流和电压通过c l a r k 变换转换 为两相电流和电压，以便于后续转矩、定子磁链和磁链角的计算。具体的转 换过程在2 1 3 1 节已经做了详细的介绍此处不作赘述。 2 3 3 磁链观测模型 图2 1 0 定子磁链u i 模型 u i 模型结构如图2 1 0 所示。该方法的优点是模型简单，在计算过程中 2 0 哈尔滨：1 ：群人学硕十学j 7 ：论文 唯一所需了解的电动机参数是易于确定的定子电阻足，式中的定子电压u 。和 定子电流f 。同样也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来， 受电机参数变化影响较小。它在高速域中有较高的观测精度。但该方法也存 在不足之处，当电机工作在定子电压的较小的状态下时，被积分的差值很小， 产生积分误差很大，电机不转时，定子电压为零，算不出定子磁链值，此模 型无法使用。 除采用u i 模型磁链观测法之外，直接转矩控制系统中还可以采用i - n 模 型和u n 模型的方法来观测电动机的磁链。 2 3 4 定子磁链、转矩和磁链角的计算 由于本课题主要实现电机在定子电压较高情况下运行的直接转矩控制， 定子磁链的计算采用u i 模型，由式虬( f ) = i ( “。( f ) 一( f ) r 。) 班可得定子磁 链在反一坐标系上的方程为： l 2i 亿。n k b ) 以 。， ( 2 2 8 ) 【2j 似妒。i 妒r s ) d t 由此可得定子磁链的幅值y 。大小为： 虬= 厩 ( 2 - 2 9 ) 此观测模型只用到了一个电机参数定子电阻，而且电机的定子电阻 也是易于测量的。为计算简便，通常忽略定子电阻压降，则定子磁链仅随定 子电压的变化而变化。只要合理地选择电压矢量施加的顺序和时间，便可使 磁链按照要求的轨迹运动。 在得到定子磁链分量和电流分量的基础上，转矩可以用下式表示： 气 。 疋= 三p 月( 妙。口l s f l 一缈。, e t ：口) ( 2 一- 3 0 一) 。= = ，| l 妙j 口 一缈ss 口，) () 二 磁通角的方程如下： 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 臼：c o s l 竺堕( 2 3 1 ) 虬 2 3 5 磁链所在区间的判断 在磁链运行区间选择中，为避免查反正弦或反余弦表的复杂计算，可将 定子磁链投影到a - b c 坐标轴的轴线上，并记各分量为虬，少。则有： 1 , 7 沙c 2 一i 沙。一y 厶厶 定义如下的开关函数： 当虮0 时，s k = 0 ( 这里的k = a ，b ，c ) ；沙k 弓时，若电机的转矩乃在增加且2 “+ 1 ”，当增加到乙，调节器 输出变为“0 ”：若电机的转矩弓在减少且2 “0 ”，当减少到t 一丁 时调节器输出变为“+ 1 ”。而当i 弓时 有两种方法可以提高转矩l ，一种是改变定子磁链的幅值，一种是增大定子 磁链与转子磁链之间的夹角。而定子磁链在电机运行过程中由于磁链调节器 的调节，其幅值变化不大，因此要靠增加定子磁链和转子磁链的夹角来增加 转矩，这就要求定子磁链正向旋转。而当i o ( 江1 ，2 ，3 ) 该算法中，权值系数w ( k ) 和神经元的输入、输出和误差信号相关。 哈尔滨：r 稃火学硕十学位论文 w f ( 后+ 1 ) = ( 1 一d ) ( 尼) + r l i v i ( k ) ( 3 1 4 ) ( 尼) = z ( 尼) “( 尼) t ( 尼) ( 3 1 5 ) 式中：r i 为学习速率，r l i 0 。z ( k ) 为输出误差信号，z ( k ) = e ( k ) ，d 为常 数，通常取o 1 之间的数。由式( 3 - 1 4 ) 和式( 3 - 1 5 ) 可以推出 ( 尼) = w ( 尼+ 1 ) 一w ( 尼) = - d w i ( k ) - 等z ( 尼) “( 尼) 一( 尼) ( 3 1 6 ) 如果存在一函数z ( w ，( 尼) ，z ( 尼) ，扰( 后) ，( 尼) ) 使得 善= w ( 尼) 一i f ie ( 后) 甜( 七) 一( 尼) ( 3 _ 1 7 ) 则式( 3 1 6 ) 可写成 w ( 七)